吳云祥

（東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川德陽(yáng) 618000）

1 概述

YKK 空-空冷卻型電動(dòng)機(jī)是大中型異步電動(dòng)機(jī)中的非常重要的衍生派系。大中型異步電動(dòng)機(jī)在縮小體積、減輕重量的同時(shí)，有提高效率、降低噪聲的巨大需求，因此必須通過(guò)十分精確的通風(fēng)冷卻的計(jì)算分析技術(shù)，從而設(shè)計(jì)合理的冷卻結(jié)構(gòu)及高風(fēng)扇的效能，用較少的軸功率能取得較好的冷卻效果，以提高電動(dòng)機(jī)的效率[1]。異步電動(dòng)機(jī)常用的冷卻風(fēng)路結(jié)構(gòu)有三種：(1)軸向通風(fēng);(2)徑向通風(fēng);(3) 軸-徑向混合通風(fēng)。采用不同的通風(fēng)冷卻方式, 定子及轉(zhuǎn)子各個(gè)地方溫度分布各不相同。

YKK560-8 異步電動(dòng)機(jī)是我公司為某電廠配套電動(dòng)機(jī)，本文通過(guò)對(duì)整個(gè)電動(dòng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的CFD 仿真分析，得到了電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子溫升特性、內(nèi)外風(fēng)扇工作特性以及冷卻器溫升特性，并與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2 通風(fēng)計(jì)算

2.1 通風(fēng)冷卻系統(tǒng)

YKK560-8 異步電動(dòng)機(jī)采用軸-徑向混合通風(fēng)結(jié)構(gòu)，通風(fēng)冷卻系統(tǒng)如圖1 所示。其中藍(lán)色箭頭為發(fā)電動(dòng)機(jī)外風(fēng)路，紅色箭頭為電動(dòng)機(jī)內(nèi)風(fēng)路。對(duì)于電動(dòng)機(jī)內(nèi)風(fēng)路，從冷卻器流出的冷卻空氣主要經(jīng)由一側(cè)的定子線圈端部進(jìn)入轉(zhuǎn)子支架、轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)道、氣隙、定子徑向通風(fēng)道、定子鐵心背部風(fēng)道、定子另一側(cè)端部線圈，最后通過(guò)離心風(fēng)扇排出進(jìn)入冷卻器進(jìn)行再次冷卻。

圖1 電動(dòng)機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)

2.2 數(shù)學(xué)模型

電動(dòng)及通風(fēng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)的流體流動(dòng)與傳熱滿足以下方程。

2.2.1 質(zhì)量守恒方程

在求解發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)流體流動(dòng)物理模型時(shí)，需要利用質(zhì)量守恒方程來(lái)進(jìn)行控制，對(duì)于不可壓縮流體的質(zhì)量守恒方程[2]為：

2.2.2 動(dòng)量守恒方程[2]

2.2.3 湍流k-ε 方程[3]

當(dāng)流體不可壓縮且穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 方程[9]，其通用方程為：

2.2.4 能量守恒方程

在求解溫度過(guò)程中，還需要滿足能量守恒方程[4]：

2.2.5 三維熱傳導(dǎo)方程

式中：kx，ky，kz分別是x、y、z 方向的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；T 為溫度；q 為內(nèi)部熱源密度，W/m3。

2.3 物理模型

根據(jù)對(duì)稱性原則，對(duì)于電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體取周向1/16的定子鐵心，定子線圈，槽楔，槽鋼，轉(zhuǎn)子鐵心，轉(zhuǎn)子線圈，轉(zhuǎn)子支架等作為流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分析研究對(duì)象。

3 內(nèi)外風(fēng)路計(jì)算結(jié)果

3.1 外風(fēng)路風(fēng)阻特性分析

空空冷卻器外風(fēng)路的風(fēng)阻特性即為電機(jī)外風(fēng)路風(fēng)阻特性，如圖1 所示。

外風(fēng)扇的工作點(diǎn)可以通過(guò)外風(fēng)扇的工作特性曲線與空空冷卻器外風(fēng)路的風(fēng)阻特性曲線求交點(diǎn)的方式得到，即如圖2 所示。由圖可知，外風(fēng)扇的工作點(diǎn)為（2.8m3/s，300pa），此時(shí)外風(fēng)扇的效率約為35.5%，外風(fēng)扇功率為2.6 kW。

圖2 外風(fēng)扇工作點(diǎn)

3.2 內(nèi)風(fēng)路風(fēng)阻特性分析

內(nèi)風(fēng)扇的工作點(diǎn)可以通過(guò)內(nèi)風(fēng)扇的工作特性曲線與電機(jī)內(nèi)風(fēng)路的風(fēng)阻特性曲線求交點(diǎn)的方式得到，即如圖3 所示。由圖可知，內(nèi)風(fēng)扇的工作點(diǎn)為（1.35m3/s，510pa），此時(shí)內(nèi)風(fēng)扇的效率約為33.1%，內(nèi)風(fēng)扇功率為2.3 kW。

圖3 內(nèi)風(fēng)扇工作點(diǎn)

4 冷卻器溫升計(jì)算

通過(guò)空冷卻器計(jì)算模型，用Fluent 可以進(jìn)行冷卻器內(nèi)外風(fēng)路的溫度計(jì)算。內(nèi)風(fēng)路進(jìn)口溫度利用對(duì)數(shù)溫差法、冷卻器傳熱方程和電機(jī)傳熱方程來(lái)計(jì)算，見(jiàn)表1。

表1 冷卻器各部位平均溫度

5 電動(dòng)機(jī)溫升計(jì)算

根據(jù)電動(dòng)機(jī)電機(jī)本體計(jì)算模型進(jìn)行電機(jī)溫升計(jì)算，以內(nèi)風(fēng)扇的工作點(diǎn)以及冷卻器內(nèi)風(fēng)路出口溫度作為電動(dòng)機(jī)本體溫升計(jì)算的邊界條件。計(jì)算得到在電動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度為55.0℃，進(jìn)口風(fēng)量為1.35m3/s 時(shí)，由于從冷卻器出來(lái)的冷卻空氣主要經(jīng)由進(jìn)口側(cè)定轉(zhuǎn)子線圈端部進(jìn)入轉(zhuǎn)子支架、轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)道、氣隙、定子徑向通風(fēng)道、定子鐵心背部風(fēng)道，最后在經(jīng)過(guò)出口側(cè)定轉(zhuǎn)子端部線圈，這樣就會(huì)引起定子和轉(zhuǎn)子兩側(cè)的端部線圈溫度有所差異。從圖中可以看出，定子層間墊條的溫度分布比較均勻；出口側(cè)定轉(zhuǎn)子端部線圈的溫度明顯高于進(jìn)口側(cè)端部線圈的溫度。

6 模型試驗(yàn)結(jié)果

6.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)包括通風(fēng)試驗(yàn)和溫升試驗(yàn)兩部分，主要試驗(yàn)方案包括：

6.1.1 在750r/min、600 r/min、500 r/min、400r/min 轉(zhuǎn)速下測(cè)得內(nèi)、外風(fēng)路風(fēng)量和壓力，以測(cè)量電機(jī)正常工作時(shí)的內(nèi)外風(fēng)路風(fēng)量以及空冷器外風(fēng)路和內(nèi)風(fēng)路阻力特性。

6.1.2 調(diào)節(jié)冷卻器外風(fēng)路風(fēng)阻測(cè)量外風(fēng)扇氣動(dòng)特性。

6.1.3 在額定轉(zhuǎn)速、同一工況下分別測(cè)量帶外風(fēng)扇和不帶外風(fēng)扇電機(jī)輸入損耗，相減得到外風(fēng)扇工作損耗。

6.1.4 利用疊頻法開(kāi)展電機(jī)溫升試驗(yàn)。

6.1.5 壓力測(cè)量采用靜壓模塊、風(fēng)量測(cè)量采用斷面平均速度法、溫度測(cè)量使用熱電偶。

6.2 測(cè)點(diǎn)布置

壓力和溫度測(cè)試元件主要布置在機(jī)座上部空間，詳見(jiàn)圖4。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置

6.3 外風(fēng)扇工作點(diǎn)

冷卻器作為一個(gè)靜止的純阻力元件，其風(fēng)阻特性通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（750r/min、600 r/min、500 r/min、400 r/min），測(cè)量不同轉(zhuǎn)速下冷卻器外風(fēng)路進(jìn)風(fēng)量、冷卻器管路兩端壓差獲得；外風(fēng)扇是旋轉(zhuǎn)的壓力的來(lái)源，其氣動(dòng)特性是通過(guò)在額定轉(zhuǎn)速下改變外風(fēng)路風(fēng)阻，測(cè)量不同風(fēng)阻條件下流經(jīng)風(fēng)扇流量、風(fēng)扇兩端的風(fēng)壓壓差獲得的；將計(jì)算和試驗(yàn)獲得的冷卻器外風(fēng)路風(fēng)阻特性與外風(fēng)扇氣動(dòng)特性進(jìn)行相互匹配，可以獲得計(jì)算和試驗(yàn)條件下外風(fēng)扇工作點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果的比較見(jiàn)圖5。從圖5可知，計(jì)算獲得的外風(fēng)扇工作點(diǎn)為（2.8m3/s，300Pa），試驗(yàn)獲得的外風(fēng)扇工作點(diǎn)為（2.4m3/s，240Pa），兩者具有較好的一致性。

圖5 外風(fēng)扇工作點(diǎn)

6.4 內(nèi)風(fēng)扇工作點(diǎn)

與測(cè)量外風(fēng)路阻力特性類似，在不同轉(zhuǎn)速下分別在內(nèi)風(fēng)路進(jìn)風(fēng)端（電機(jī)熱風(fēng)腔）和出風(fēng)端（電機(jī)冷風(fēng)腔）測(cè)量壓力以計(jì)算內(nèi)風(fēng)路壓力降。測(cè)量和計(jì)算獲得的冷卻器內(nèi)風(fēng)路阻力特性。內(nèi)風(fēng)扇工作點(diǎn) [試驗(yàn)值（1.45m3/s，452Pa）；計(jì)算值（1.35m3/s，500Pa）]。

6.5 溫升結(jié)果

由于直流試驗(yàn)站拖動(dòng)機(jī)容量有限，采用了定子疊頻法開(kāi)展溫升試驗(yàn)。試驗(yàn)獲得的主要數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。表2 可見(jiàn)：利用疊頻法獲得的電機(jī)在設(shè)計(jì)工況下滿載運(yùn)行時(shí)最高溫升為60.4K。

表2 疊頻法溫升試驗(yàn)

圖6 對(duì)比了定子RTD 最高溫升的模擬計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果。從圖可以看出，計(jì)算值比試驗(yàn)值高，可能原因包括：

（1）雜散損耗大小及分配與真實(shí)情況存在差異；

（2）測(cè)溫元件的布置不在最高點(diǎn)溫度點(diǎn)位置；

（3）環(huán)境溫度低，只有5 ℃，空氣的散熱能力強(qiáng)，和計(jì)算邊界存在較大差異。

采用試驗(yàn)條件對(duì)應(yīng)的空氣熱物性，重新分配定子側(cè)雜散損耗重新計(jì)算，得到的計(jì)算結(jié)果如圖6 所示，可以看出此時(shí)的模擬結(jié)果和試驗(yàn)值比較接近，為電動(dòng)機(jī)綜合物理場(chǎng)的進(jìn)一步研究計(jì)算提供理論了依據(jù)。

圖6 結(jié)果比對(duì)

7 結(jié)論

本文對(duì)整個(gè)電動(dòng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了CFD 仿真分析，得到了電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子溫升特性、內(nèi)外風(fēng)扇工作特性以及冷卻器溫升特性。研究表明：

7.1 計(jì)算獲得的外風(fēng)扇工作點(diǎn)為（2.8m3/s，300Pa），試驗(yàn)獲得的外風(fēng)扇工作點(diǎn)為（2.4m3/s，240Pa），兩者具有較好的一致性。

7.2 計(jì)算獲得的內(nèi)風(fēng)扇工作點(diǎn)為（1.35m3/s，500Pa），試驗(yàn)獲得的內(nèi)風(fēng)扇工作點(diǎn)為（（1.45m3/s，452Pa）兩者具有較好的一致性。

7.3 對(duì)定子側(cè)雜散損耗進(jìn)行重新分配、考慮不同溫度下空氣的散熱能力以及計(jì)算邊界等，使得計(jì)算得到的定子RTD 最高溫升與試驗(yàn)測(cè)量值差異不大。

模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果均能較好的吻合，為電動(dòng)機(jī)綜合物理場(chǎng)的進(jìn)一步研究計(jì)算提供理論了依據(jù)。